2.4 Выбор микропроцессорного контроллера для АСУ ТП дистилляции тетрахлорида германия

До последнего времени роль контроллеров в АСУ ТП в основном исполняли PLC (Programmable Logic Controller - программируемые логические контроллеры) зарубежного и отечественного производства. Наиболее популярны в нашей стране PLC таких зарубежных производителей, как Allen-Braidly, Siemens, ABB, Modicon, а также отечественные модели: "Ломиконт", "Ремиконт", "Микродат", "Эмикон" и др.

В связи с бурным ростом производства миниатюрных РС-совместимых компьютеров последние все чаще стали использовать в качестве контроллеров.

Первое и главное преимущество РС-контроллеров связано с их открытостью, позволяющей применять в АСУ оборудование разных фирм. Теперь пользователь не привязан к конкретному производителю.

Второе важное преимущество их заключается в более "родственных" связях с компьютерами верхнего уровня. В результате не требуются дополнительные затраты на подготовку персонала.

Третье преимущество ? более высокая надежность. Обычно различают физическую и программную надежность контроллеров. Под физической надежностью понимают способность аппаратуры устойчиво функционировать в условиях окружающей среды промышленного цеха и противостоять ее вредному воздействию. Под программной понимается способность программного обеспечения устойчиво функционировать в ситуациях, требующих реакции в заданное время. Программная надежность определяется в первую очередь степенью отлаженности программного обеспечения. Поскольку в большинстве РС-контроллеров используются коммерческие широко распространенные и хорошо отлаженные операционные системы (Windows, Unix, Linux, QNX и др.), программная надежность PC выше, чем у PLC. Операционные системы контроллеров должны удовлетворять не только требованиям открытости, но и требованиям работы в режиме реального времени, быть компактными и иметь возможность запуска из ПЗУ или флеш-памяти. Для автоматизации процесса дистилляции тетрахлорида германия необходимо подключить 10 датчиков к модулю аналогового входа, 1 датчик к модулю аналогового выхода, 7 пускателей к модулю дискретного выхода, 6 сигналов с исполнительных механизмов (ИМ) о местоположении регулирующего органа (РО) к дискретному входу. В качестве микропроцессорного контроллера для управления технологическим процессом дистилляции тетрахлорида германия выбираем Simatic S7-300 компании SIEMENS (рисунок 2.8) [9].

Simatic S7-300 - это модульный программируемый контроллер для решения задач автоматизации низкого и среднего уровня сложности. Контроллер Simatic S7-300 обладает широким спектром модулей для максимальной адаптации к требованиям решаемой задачи. Особенностью Simatic S7-300 является использование распределенных структур ввода-вывода и простое включение в сетевые конфигурации. Удобная конструкция контроллера позволяет работать с естественным охлаждением. Simatic S7-300 не только обладает высокой мощностью благодаря наличию большого количества встроенных функций, также при модернизации добавляются дополнительные функциональные возможности.

Для нашего процесса необходимо наличие следующих модулей:

модуль центрального процессора (CPU). В зависимости от степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут быть использованы различные типы центральных процессоров, отличающихся производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенных входов-выходов и специальных функций, количеством и видом встроенных коммуникационных интерфейсов и т.д. Для нашего процесса оптимальным является процессор CPU 314, который управляет системой управления средней степени сложности со скоростной обработкой;

модуль блока питания (PS 307), обеспечивающий возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 120/230 В или от источника постоянного тока напряжением 24/48/60/110 В;

коммуникационный процессор (CP 342-5) - интеллектуальный модуль, выполняющий автономную обработку коммуникационных задач в промышленных сетях AS-Interface, PROFIBUS, Industrial Ethernet, PROFINET и системах PtP связи;

функциональный модуль (FM 355S) - интеллектуальный модуль, оснащенный встроенным микропроцессором и способный выполнять задачи автоматического регулирования, взвешивания, позиционирования, скоростного счета, управления перемещением и т.д. Целый ряд функциональных модулей способен продолжать выполнение возложенных на них задач даже в случае остановки центрального процессора;

модуль ввода аналоговых сигналов SM 331, к которому возможно подключить до 10 датчиков (с учетом резерва нам необходимо место под 11 датчиков, поэтому необходимо два модуля);

модуль вывода аналоговых сигналов SM 332, к которому возможно подключить до 10 датчиков (с учетом резерва нам необходимо место под 2 датчика);

модуль вывода дискретных сигналов SM 322, к которому возможно подключить до 10 устройств (с учетом резерва нам необходимо место под 8 устройств);

модуль ввода дискретных сигналов SM 321, к которому возможно подключить до 10 датчиков (с учетом резерва нам необходимо подключить 7 устройств.)

Конструкция контроллера отличается высокой гибкостью и удобством обслуживания:

все модули устанавливаются на профильную шину S7-300 и фиксируются в рабочих положениях винтами. Объединение модулей в единую систему выполняется с помощью шинных соединителей (входят в комплект поставки каждого модуля), устанавливаемых на тыльную часть корпуса;

произвольный порядок размещения модулей в монтажных стойках. Фиксированные посадочные места занимают только модули PS, CPU и IM;

наличие съемных фронтальных соединителей, позволяющих производить быструю замену модулей без демонтажа их внешних цепей и упрощающих выполнение операций подключения внешних цепей модулей. Механическое кодирование фронтальных соединителей исключает возможность возникновения ошибок при замене модулей;

применение гибких и модульных соединителей TOP Connect, существенно упрощающих выполнение монтажных работ и снижающих время их выполнения.

Все модули, используемые в данном процессе, приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Перечень выбранных составных модулей микропроцессорного контроллера Simatic S7-300

Все модули установлены в щит шкафного исполнения TS 8 1800x1800x600 RAL 7035.

Программирование контроллера осуществляют с помощью поставляемой в комплекте с контроллером программы Simatic STEP 7. С помощью этой программы выполняется комплекс работ по созданию и обслуживанию систем автоматизации на основе программируемых логических контроллеров (ПЛК) Simatic S7-300 и Simatic S7-400 фирмы Siemens. В первую очередь это работы по программированию контроллеров. На ПЛК возложена задача сбора сигналов от датчиков и их обработки по прикладной программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства. В основе работы лежит концепция проекта, под которым понимается комплексное решение задачи автоматизации, включая несколько взаимосвязанных контроллеров, соединяющие их сети и системы человеко-машинного интерфейса. Работу с проектом в целом обеспечивает главная утилита STEP 7 - Simatic Manager. STEP 7 позволяет производить конфигурирование программируемых логических контроллеров и сетей (утилиты HWConfig и NetPro). В процессе конфигурирования определяется состав оборудования в целом, разбиение на модули, способы подключения, используемые сети, выбираются настройки для используемых модулей. Система проверяет правильность использования и подключения отдельных компонент. Завершается конфигурирование загрузкой выбранной конфигурации в оборудование, что по сущности является настройкой оборудования. Утилиты конфигурирования позволяют осуществлять диагностику оборудования, обнаруживать аппаратные ошибки или неправильный монтаж оборудования. Программирование контроллеров производится редактором программ, обеспечивающим написание программ на трех языках:

LAD - язык релейно-контактной логики;

FBD - язык функциональных блочных диаграмм;

STL - язык списка инструкций.

В дополнение к трем основным языкам могут быть добавлены четыре дополнительные языка, поставляемые отдельно:

SCL - структурированный язык управления, по синтаксису близкий к Pascal;

GRAPH 7 - язык управления последовательными технологическими процессами;

HiGraph 7 - язык управления на основе графа состояний системы;

CFC - постоянные функциональные схемы.

Возможность наблюдения за текущим состоянием программы, доступное при использовании любого языка программирования, обеспечивает не только отладку программного обеспечения, но и поиск неисправностей в подключаемом оборудовании, даже если оно не имеет средств диагностики. В проект STEP 7 могут быть, включены системы человеко-машинного интерфейса (ЧМИ), например, операторские панели, конфигурируемые с помощью производимого Siemens программного обеспечения ProTool или WinCC Flexible, или персональный компьютер с программным обеспечением WinCC. Интеграция проектов для ЧМИ в проект STEP 7 облегчает автоматическое связывание проектов для контроллера и операторского интерфейса, ускоряет проектирование и позволяет избежать ошибок, связанных с раздельным использованием программ. В полной мере эти преимущества проявляются при использовании системы проектирования PCS7, в основе которой также используется STEP 7.